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为什么氮化镓芯片未来会取代硅芯片?

发布时间:2023-12-31 浏览量:52

  氮化镓,具有宽能隙(大概是硅的三倍)、高电子迁移率、高崩溃电场强度(大概是硅的10倍)。它是具有较低导通电阻,较高崩溃电压的功率元件,近年来很多充电器都使用了氮化镓材料,比如苹果、华为,小米快充,充电器尺寸更小,能量损失只有原来的四分之一,重量更轻。而且由于原子键之间的连接很紧密,抗辐射性能也较好。

  GaN是第三代半导体材料的代表 诞生自1993年,经过了近20年的发展国外的产业链已非常健全,而我国是起步阶段。2011年美国TriQuint公司(现在Qorvo的一部分)宣布其GaN产线达到工业9级水平,可完全量产化。 GaN HEMT 在高输出功率、高工作效率、高工作频率等方面具有较明显的优势。 在功率密度方面,GaN HEMT比Si、SiGe、GaAs、InP等微波器件至少高出5倍。在相同输出功率和工作频率(Ka波段)下,GaN HEMT PA MMIC尺寸相对GaAs PHEMT PA MMIC尺寸可以缩小82%。 南京电子器件研究所于2016年报道了X波段60W的PA MMIC、W波段1W输出功率的GaN,日本KIKUCHI住友电气公司于2014年报道了输出功率达到310W的X波段GaN HEMT功率器件模块。可以看出国内发展还是相对滞后的。 2016年WIENECKE公司报道的最大频率可达276GHz,在8V电源电压支持下,峰值功率可达1.73W/mm。 在10V电源电压下,峰值功率可达2.9W/mm。而在NIIDA公司报道的W波段HEMT器件,在20V电源电压下,能获得功率密度达到3.6W/mm(86GHz),这是目前已经报道的最高输出功率密度。 由此可见随着5G商用基础设施的不断推进,端到端的射频需求加速增长,作为5G的核心材料,氮化镓在射频器件领域的占比将越来越多。

  氮化镓GaN (gallium nitride),这是一种通过将镓和氮结合成晶体而形成的化合物半导体,是一种宽禁带半导体材料。GaN比传统的硅具有更高的效率、更小的尺寸和更轻的重量,这种材料非常适合高功率、高效和高温电子应用。

  和硅芯片相比:

  1、氮化镓芯片的功率损耗是硅基芯片的四分之一

  2、大小是硅基芯片的四分之一

  3、重量是硅基芯片的四分之一

  4、并且比基于硅的解决方案便宜

  然而,虽然GaN似乎是一个优越的选择,但在一段时间以内它不会在所有应用中取代硅片。原因如下:

  1、需要克服的第一个障碍是GaN晶体管的耗尽性质。有效功率和逻辑电路需要常开和常关两种类型的晶体管。虽然可以生产常关型GaN晶体管,但它们要么依赖于典型的硅MOSFET,要么需要特殊的附加层,这使得它们难以收缩。不能以与当前硅晶体管相同的规模生产GaN晶体管也意味着它们在CPU和其他微控制器中使用是不实际的。

  2、GaN晶体管的第二个问题是,用于制造增强型GaN晶体管的唯一已知方法(在写入时)是使用获得专利的松下方法来使用额外的AlGaN层。这意味着涉及这种晶体管类型的任何创新将依赖于Panasonic,直到可以研究其他方法。

  自21世纪初以来,GaN器件的工作已经出现,但GaN晶体管仍处于起步阶段。毫无疑问,他们将在未来十年内取代电力应用中的硅晶体管,但它们仍远未用于数据处理应用。

  然而,如果GaN器件可以小型化(小于100nm的特性),那么它们不仅可以用于替代硅以获得更好的功率效率,而且它们还可以以更高的速度运行并且允许其功率处理器继续增加。

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  氮化镓(GaN)可为便携式产品提供更小、更轻、更高效的桌面AC-DC电源。Keep Tops氮化镓(GaN)是一种宽带隙半导体材料。 当用于电源时,GaN比传统硅具有更高的效率、更小的尺寸和更轻的重量。 传统硅晶体管有两种类型的损耗:传导损耗和开关损耗。 功率晶体管是开关电源中功率损耗的主要原因。 为了遏制这些损失,GaN晶体管(取代旧的硅技术)的开发已引起电力电子行业的关注。氮化镓

  与硅芯片相比:

  1、氮化镓芯片的功率损耗是硅基芯片的四分之一

  2、尺寸为硅芯片的四分之一

  3、重量是硅基芯片的四分之一

  4、并且比硅基解决方案更便宜

  然而,虽然 GaN 似乎是一个更好的选择,但它在一段时间内不会在所有应用中取代硅。 原因如下:

  第一个需要克服的障碍是 GaN 晶体管的耗尽特性。 有源功率和逻辑电路需要常开和常关类型的晶体管。 虽然可以生产常关型 GaN 晶体管,但它们要么依赖于典型的硅 MOSFET,要么需要特殊的附加层,这使得它们难以缩小。 无法生产与当前硅晶体管相同规模的 GaN 晶体管,也意味着它们不适用于 CPU 和其他微控制器。

  GaN 晶体管的第二个问题是,制造增强型 GaN 晶体管的唯一已知方法(在撰写本文时)是使用松下专利方法使用附加的 AlGaN 层。 这意味着涉及这种晶体管类型的任何创新都将依赖于松下,直到研究出其他方法为止。

  GaN 器件的研究工作自 2000 年代初就已开始,但 GaN 晶体管仍处于起步阶段。 毫无疑问,它们将在未来十年内取代功率应用中的硅晶体管,但距离用于数据处理应用还很远。氮化镓芯片

  Keep Tops氮化镓有什么好处?

  氮化镓的出现降低了产品成本。 搭载GaN的充电器具有元件数量少、调试方便、高频工作实现高转换效率等优点,可以简化设计,降低GaN快充的开发难度,有助于实现小体积、高效氮化镓快充设计。 Keep Tops氮化镓内置多种功能,可以大大降低产品的设计复杂度,减少冗余器件的使用。 提高了空间利用率,降低了生产难度,也有助于降低成本、加快出货速度。

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